SISTEM INSTRUMENTASI

TERMOKOPEL

DISUSUN OLEH:

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERESITAS DIPONEGORO

2013

NAMA :

HADYAN

GILANG

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari masa ke masa

berkembang pesat terutama di bidang otomtisasi. Perkembangan ini tampak

jelas terutama di industri manufaktur, di mana sebelumnya banyak pekerjaan

menggunakan tangan manusia, kemudian beralih menggunakan mesin,

berikutnya dengan electro-mechanic (semi otomatis) dan sekarang sudah

menggunakan robotic (full automatic).

Model apapun yang digunakan dalam sistem otomatisasi industri

sangat tergantung kepada keandalan sistem kendali yang dipakai. Hasil

penelitian menunjukan secanggih apapun sistem kendali yang dipakai akan

sangat tergantung kepada sensor dan transduser yang digunakan.

Sensor dan transudser merupakan peralatan atau komponen yang

mempunyai peranan penting dalam sebuah sistem pengaturan otomatis.

Bisanya besaran masukan pada kebanyakan sistem kendali bukan merupakan

besaran listrik. Umumnya besaran tersebut adalah besaran fisik, kimia,

mekanis dan sebagainya. Untuk merubah ke dalam besaran listrik pada

sistem, biasanya besaran-besaran tersebut diubah terlebih dahulu menjadi

suatu sinyal listrik melalui sebuah alat yang disebut sensor dan transduser.

Salah satu sensor yang umum digunakan adalah sensor suhu. Sensor

ini sangat sering digunakan dalam proses manufaktur terutama yang berkaitan

dengan proses pemanasan maupun pendinginan. Sensor tersebut bertugas

untuk mengetahui kondisi lingkungan atau sebuah sistem yang digunakan

sebagai input agar dapat ditindaklanjuti dalam sebuah proses atau

pengendalian sistem. Beberapa sensor suhu yang umum digunakan antara lain

termokopel.

1.2 TUJUAN PENULISAN

Tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk lebih memahami

tentang sensor termokopel, konstruksi sensor termokopel, operasi sensor

temokopel dan aplikasi dari sensor termokopel

1.3 BATASAN MASALAH

Pada Penulisan Makalah ini hanya akan membahas mengenai :

Pengertian Sensor Suhu termokopel

Cara Kerja Sensor Suhu termokopel

Aplikasi Sensor Suhu termokopel dalam Kehidupan Sehari-Hari

BAB II

TERMOKOPEL

2.1 Pendahuluan

Pada dunia elektronika, termokopel adalah sensor suhu yang

banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi

perubahantegangan listrik (voltase). Termokopel yang sederhana dapat

dipasang, dan memiliki jenis konektor standar yang sama, serta dapat

mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas

kesalahan pengukuran kurang dari 1 °C

.

Gambar 2.1 Diagram skematik thermocouple

Dua termoelemen A dan B dihubungkan dan jika temperatur antara

junction pertama (cold junction) dan kedua (hot junction) berbeda maka

akan timbul arus akibat gaya gerak listrik (EMF).

Gambar 2.4. Pengukuran EMF

Jika cold junction open circuit dan dihubungkan dengan voltmeter

dengan impedansi yang tak terhingga (besar sekali), seperti yang terlihat

pada gambar 2, maka akan terbaca tegangan pada voltmeter, tegangan

tersebut dikenal sebagai tegangan Seebeck. Jika thermocouple digunakan

untuk mengukur temperatur hot junction maka tegangan Seebeck pada cold

junction, hot junction serta temperatur cold junction harus diketahui terlebih

dahulu.

EMF, sebenarnya timbul karena gradien temperatur sepanjang

kawat yang menghubungkan hot junction dan cold junction. Dengan

mengasumsikan kawat thermocouple homogen maka EMF didapat akibat

perbedaan temperatur hot junction dan cold junction.

Hubungan tegangan antara termoelemen A dan B dengan

perbedaan temperatur adalah:𝐸𝐴𝐵𝑇 = 𝑆𝐴𝐵𝑇 Δ𝑇Dimana : EAB(T) adalah tegangan Seebeck

S(T) adalah koefisien Seebeck,

ΔT adalah perbedaan temperatur antara hot junction

dengan cold junction.

2.2 Prinsip Kerja Termokopel

Termokopel adalah sebuah alat yang dibuat dari dua jenis kawat dari

logam yang berbeda dan disatukan pada salah satu ujungnya. Ujung ini disebut

dengan istilah ‘junction end’ atau ujung sambungan dan dapat disebut juga ujung

pengukuran (T2). Dua kawat tersebut disebut thermoelement yang merupakan

kaki-kaki dari termokopel. Keduanya dibedakan menjadi kaki positif dan kaki

negatif. Kemudian, ujung laun dari masing-masing kawat disebut dengan ‘tail

end’ (ujung ekor) atau ‘reference end’ (T1).

Junction end adalah ujung yang digunakan untuk mengukur panas dari

media yang hendak diukur, misalkan ruangan tungku atau oven dengan suhu

200°C sedangkan tail end adalah ujung yang kita sambungkan dengan rangkaian

elektronika dan berada pada suhu ruang, katakanlah 28°C. Tail end mempunyai

dua kutub untuk pengukuran, yaitu positif dan negatif. T1 dan T2 adalah suhu

masing-masing pada posisi tail end dan junction end.

Perbedaan suhu antara T1 dan T2 tersebut dapat diukur pada kedua kutup

positif dan negatif. Oleh karena itu termokopel adalah termasuk temperature-

voltage transducer. Termokopel adalah penghasil tegangan yang dapat diukur

pada kedua kutub tail end yang terjadi akibat perbedaan suhu pada T1 dan T2.

Jadi tinggal diukur dengan voltmeter digital.

Besarnya tegangan keluaran pada termokopel ditentukan dengan rumus:

Vout = Vh - Vc

Keterangan :

Vnet = tegangan keluaran thermokopel

Vh = tegangan yang diukur pada suhu tinggi

Vc = tegangan referensi

Tegangannya terlalu kecil sehingga harus diamplify terlebih dulu. Selain

itu nilai yang terbaca oleh voltmeter juga bukan merupakan ekspresi langsung dari

temperature dan masih diperlukan konversi.

Untuk mempermudah konversi maka dapat menggunakan table hubungan

tegangan dengan teneprature, sebagai berikut :

Gambar 2. Tabel referensi tegangan ke temperature

Dalam pengukuran tegangan pada termokopel ada beberapa syarat yang

ahrus terpenuhi agar tegangan yang didapat tidak nol. Adapaun syarat-syaratnya

sebagai berikut :

1. Jika kedua kawat atau thermoelement terbuat dari material yang sama

sehingga menyebabka tidak ada perbedaan suhu dianatara kedua ujung

kawat.

2. Suhu T1 sama dengan T2 sehingga menyebabkan termokopel tidak dapat

mengukur suhu ruang karena kedua ujungnya ada pada temperatur yang

relatif sama, yaitu berada pada suhu ruang. Oleh karena itu, kita tiba pada

kondisi ‘tidak mudahnya’ karena pada dasarnya temperatur pada reference

end atau tail end haruslah relatif tetap. Hal yang tidak mungkin tentunya

sehingga ada istilah cold junction compensation untuk menkompensasi

kondisi ini. Sebuah IC seperti misalnya MAX667 bisa dipergunakan untuk

kompensator.

2.3 Konstruksi Termokopel

Untuk skonstruksi sederhana termokopel diperlihatkan oleh gamabar dibawah ini :

.

Gambar 2. Sirkuit sederhana termokopel

Gambar 2.11 kontruksi dalam Termokopel

Pada konstruksi termokopel terdapt dua buah kawat yang terbuat dari

amterail yang berbeda, salah satunya digunakan sebagai measuring junction (hot)

dan reference junction (cold). Pada kawat rerfernce junction tidak akan

mengalami perubahan dan akan tetap pada suhu reference. Pada pengukuran

perbedaan potensial dari kedua kawat akan menggunakan voltmeter dan

sebelumnya akan di amplify dahulu agar dapat terbaca oleh voltmeter karena

tegangan yang dihasilkan terlalu kecil. Pengukuran panas saluran Thermokopel

menghasilkan tegangan yang lebih besar dari tegangan saluran referensi.

Perbedaan antara dua tegangan itu sebanding dengan perbedaan suhu.

2.4 Karakteristik Termokopel

2.4.1 Beberapa jenis thermocouple berdasarkan aplikasi penggunaannya

1. Tipe K (Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)

Thermocouple untuk tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk

rentang suhu −200 °C hingga +1200 °C.

Gambar 2.2 NiCr-NiSi (Tipe K)

2. Tipe E (Chromel / Constantan (Cu-Ni alloy))

Tipe E memiliki output yang besar (68 µV/°C) membuatnya cocok

digunakan pada temperatur rendah. Properti lainnya tipe E adalah tipe

non magnetik.

Gambar 2.3 NiCr – CuNi (Tipe E)

3. Tipe J (Iron / Constantan)

Rentangnya terbatas (−40 hingga +750 °C) membuatnya kurang

populer dibanding tipe K. Tipe J memiliki sensitivitas sekitar ~52 µV/°C.

Gambar 2.4 Fe-CuNi (Tipe J)

4. Tipe N (Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) / Nisil (Ni-Si alloy))

Stabil dan tahanan yang tinggi terhadap oksidasi membuat tipe N

cocok untuk pengukuran suhu yang tinggi tanpa platinum. Dapat

mengukur suhu di atas 1200 °C. Sensitifitasnya sekitar 39 µV/°C pada

900 °C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan tipe K

Gambar 2.5 Nicrosil-Nisil (Tipe N)

5. Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh)

Cocok mengukur suhu di atas 1800 °C. Tipe B memberi output

yang sama pada suhu 0 °C hingga 42 °C sehingga tidak dapat dipakai di

bawah suhu 50 °C.

Gambar 2.6 Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh)

6. Type R (Platinum /Platinum with 7% Rhodium)

Cocok mengukur suhu di atas 1600 °C. sensitivitas rendah (10

µV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk

tujuan umum.

Gambar 2.7 Type R (Platinum /Platinum with 7% Rhodium)

7. Type S (Platinum /Platinum with 10% Rhodium)

Cocok mengukur suhu di atas 1600 °C. sensitivitas rendah (10

µV/°C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk

tujuan umum. Karena stabilitasnya yang tinggi Tipe S digunakan untuk

standar pengukuran titik leleh emas (1064.43 °C).

Gambar 2.8 Type S (Platinum /Platinum with 10% Rhodium)

8. Type T (Copper / Constantan)

Cocok untuk pengukuran antara −200 to 350 °C. Konduktor positif

terbuat dari tembaga, dan yang negatif terbuat dari constantan. Sering

dipakai sebagai alat pengukur alternatif sejak penelitian kawat tembaga.

Type T memiliki sensitifitas ~43 µV/°C.

Gambar 2.9 Type T (Copper / Constantan)

Gambar 2.10 karakteristik bahan termokopel yang digunakan bersama platinum

2.4.2 Adapun kelebihan dan kekurangn dari termokopel adalah sebagai berikut :

kelebihan dari termokopel adalah:

a. Mudah dibaca, karena memiliki layar yang tidak mudah keruh dan skala

yang jelas

b. Respon cepat untuk setiap adanya perubahan suhu

c. Akurasi yang tepat dalam pengukuran suhu

d. Baik digunakan untuk pengukuran variasi suhu dengan jarak kurang

dari 1 cm

e. Termokopel tidak mudah rusak dan tahan lama

Sementara itu, termokopel juga memiliki kekurangan dalam pemakaiannya, yakni:

a. Kalibrasi yang sulit, saat termokopel dinyalakan, suhu yang tertera adalah

suhu pada ruangan tersebut

b. Hanya dapat digunakan untuk mengukur perbedaan suhu

c. Termokopel membutuhkan perlengkapan tambahan yang harganya

biasanya cukup mahal

2.5 APLIKASI TERMOKOPEL

Thermocouple cocok untuk mengukur rentang suhu yang besar,

sampai 2300°C. Mereka kurang cocok untuk aplikasi di mana perbedaan

suhu lebih kecil harus diukur dengan akurasi yang tinggi, misalnya rentang

0-100°C dengan 0,1°C akurasi. Contoh Penggunaan Thermocouple yang

umum yaiutu pada industry besi dan baja yang dalam pengoperasiannya

menggunakan suhu yang sangat tinggi.

BAB III

SIMPULAN DAN SARAN

3.1 KESIMPULAN

1. Sensor termokopel dapat digunakan sebagai pengukur suhu

2. Sensor termokopel bekerja dengan membandingkan perbedaan

potensial yang terjadi di kedua ujung termoelemen akibat perbedaan

panas dikedua ujungnya.

3. Terdapat beberapa jenis termokopel diantara

a. Tipe E (kromel-konstantan)b. Tipe J (besi-konstantan)c. Tipe K (kromel-alumel)d. Tipe R-S (platinum-platinum rhodium)e. Tipe T (tembaga-konstantan)

4. Hubungan tegangan antara termoelemen A dan B dengan perbedaan

temperatur adalah : 𝐸𝐴𝐵𝑇 = 𝑆𝐴𝐵𝑇 Δ𝑇5. Termokopel cocok untuk mengukur rentang suhu yang besar, sampai

2300°C. Mereka kurang cocok untuk aplikasi di mana perbedaan suhu

lebih kecil harus diukur dengan akurasi yang tinggi, misalnya rentang 0-

100°C dengan 0,1°C akurasi.

3.2 SARAN

Penggunaan termokopel dalam pengukuran suhu yang tinggi sudah

sangat mumpuni dalam hal instreumentasi terlihat dari banyaknya kelebihan

dari sensor tersebut.

Namun ada pula kekurangan dari termokopel yaittu kalibrasi yang

sulit dan perlengkapan tambahan yang harganya cukup mahal.

DAFTAR REFERENSI

[1] http://elektronika-dasar.web.id/komponen/sensor-tranducer/sensor-suhu-rtd-

[2] http://www.momentous-inst.com/news-detail/kelebihan-dan-kekurangan-dari-

termokopel

[3] http://onnyapriyahanda.com/prinsip-kerja-thermocouple/

[4] http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/18446/3/Chapter%20II.pdf

[5] http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/28656/3/Chapter%20II.pdf